Разработан новый принцип передачи данных для 6G

Американские физики разработали оптическую антенну, использующую вместо частоты волны орбитальный угловой момент света. По мнению ученых, такая антенна способна передавать значительно больший объем информации, чем традиционные электромагнитные или поляризационные устройства, и может стать ключевым элементом технологий 5G и будущих технологий 6G. Описание разработки опубликовано в журнале Nature Physics.

Современные методы передачи сигналов с помощью электромагнитных волн приближаются к своему пределу. Это обусловлено повышающимся требованиям к скорости передачи данных. Большие возможности открывает использование оптического диапазона, а именно — орбитального углового момента света (OAM — orbital angular momentum).

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли нашли способ мультеплексирования — радикального увеличения объема передаваемых данных — с помощью дискретных закручивающихся лазерных лучей от антенн, состоящих из концентрических колец.

"Мы переживаем взрывной рост объемов данных в нашем мире, и каналы связи, которые у нас есть сейчас, скоро станут недостаточными. Технология, о которой мы сообщаем, преодолевает текущие ограничения емкости данных за счет характеристики света, называемой орбитальным угловым моментом. Впервые нами были напрямую мультиплексированы лазеры, излучающие искривленный свет, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования Бубакара Канте (Boubacar Kanté), доцент кафедры электротехники и компьютерных наук. — Это кардинально меняет правила игры с приложениями в области биологической визуализации, квантовой криптографии, высокопроизводительной связи и датчиков".

Распространенный пример мультиплексирования, или уплотнение каналов связи — передача нескольких телефонных разговоров по одному проводу. Но до сих пор существовали фундаментальные ограничения на количество когерентных скрученных световых волн, которые можно было мультиплексировать напрямую.

Исследователи создали в закрученных антеннах, диаметр которых равен человеческому волосу, световые вихри, аналогичные по структуре атмосферным торнадо. При этом эти компактные антенны, которые можно разместить на компьютерной плате, — топологические. Это означает, что они сохраняют свои свойства даже при скручивании или изгибе устройства.

"Световой вихрь с его бесконечными степенями свободы, в принципе, может поддерживать передачу неограниченного количества данных, — объясняет Канте. — Задача состоит в том, чтобы найти способ надежно произвести бесконечное количество лучей OAM. Никто никогда раньше не производил лучи OAM с такими высокими зарядами в таком компактном устройстве".

Чтобы создать топологическую антенну, исследователи использовали метод электронно-лучевой литографии, с помощью которого они сначала вытравили сетку на поверхности полупроводникового материала — сплава арсенида галлия и фосфида индия — соединения, которое широко применяется в фотонных устройствах, а затем прикрепили полученную структуру к поверхности железо-иттриевого граната.

По словам авторов, такая конструкция была необходима для поддержания явления, известного как фотонный квантовый эффект Холла — движения света в кольцах в одном направлении при приложении магнитного поля.

"Раньше думали, что квантовый эффект Холла с магнитным полем можно использовать в электронике, но не в оптике, из-за слабого магнетизма существующих материалов на оптических частотах, — говорит ученый. — Мы первые показали, что квантовый эффект Холла работает и для света".

Приложив магнитное поле, перпендикулярное двумерной микроструктуре, исследователи успешно сгенерировали три лазерных луча OAM, движущихся по круговым орбитам над поверхностью.

"Мы создали три лазера, увеличив скорость передачи данных в три раза, но в принципе нет ограничений на возможное количество лучей и объем передаваемых данных", — заключает Канте.

В ближайшее время ученые планируют приступить к разработке оптических антенн, использующих в качестве источника энергии электричество.